CN110369723B - 一种3d激光打印的激光功率优化方法 - Google Patents

Abstract

一种3D激光打印的激光功率优化方法，根据激光加工过程中的当前表面温度、激光移动速度与扫描路径优化激光的发射功率的优化方法，通过控制激光功率，以降低温度梯度为目标函数，使得工件的不同位置表面温度可以在相同的时间内冷凝的优化方法；它是利用定义的温度梯度约束公式，建立激光功率最优化方法模型，以梯度与温度作为目标函数对激光功率进行最优化调节，可以使得工件表面熔融状态下的金属冷凝时间保持一致，提高加工的精度与成品率。

Description

一种3D激光打印的激光功率优化方法

技术领域

本发明属于增材制造技术中的激光3D打印技术领域，具体涉及了一种3D激光打印过程中的激光功率优化方法。

背景技术

近年来，激光3D打印技术在我过国防、航天、航空、商业等众多领域中都有广泛应用，3D打印技术又称增材制造技术，是近30年快速发展的先进制造技术，其优势在于三维结构的快速和自由制造，被广泛应用于新产品开发、单件小批量制造。

激光3D打印过程是利用金属粉末作为原材料，利用激光产生的高温使表面的金属粉末熔化，经过常温冷凝形成固态，达到快速成型的增材制造方法。

目前，在增材制造的激光3D打印过程中单层打印激光的功率是不变的，但由于在打印过程中，由于受工件形状影响，激光的路径不同，且打印前上层温度与打印过程中热传递导致了表面温度不均匀，因此整个模型的温度在动态变化。这将导致激光点表面温度不一致，由于热传递导致工件不同位置的散热速度不同。这将造成在打印过程中，激光点的温度不同与冷却时间不同，这将导致金属粉末熔化后的冷凝时间不同，这将导致加工精度降低,出现沙眼、断裂、镂空等问题，影响成品率与工件成型强度。因此对3D打印激光功率的优化调节是如今3D打印技术面临的重要问题。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种3D激光打印的激光功率优化方法，可以根据激光加工过程中的当前表面温度、激光移动速度、当前表面温度与扫描路径优化激光的发射功率，降低温度梯度使得工件的不同位置表面温度可以在相同的时间内冷凝。

在工件的加工过程中，根据热辐射原理，激光3D打印过程中，表面温度与温度梯度以及温度扩散时间与激光加工过程中的当前表面温度、激光移动速度与加工工件表面形状都有直接关系。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种3D激光打印的激光功率优化方法，包括以下步骤：

步骤1，定义D与p、v、s、t之间关系的温度梯度约束公式：

D＝a₁p+a₂p²+b₁v+b₂v²+c₁s+c₂s²+d₁t+d₂t²

其中D为激光点的温度梯度，p代表设定的激光功率，v代表激光扫描速度，s为扫描路径的长度,t为当前未扫描时工件表面温度，

其中a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂、d₁、d₂为待定参数，根据历史数据，进行非线性拟合确定参数；

步骤2，根据当前表面温度、激光移动速度、当前工件表面温度与扫描路径与激光功率的关系，定义的激光功率最优化方法模型：

minσ²+α(T₁-T₀)

式中，p代表设定的激光功率，p₀为允许最小功率，p₁为允许的最大功率，T₁代表实际加工点表面温度，T₀表示3D增材材料的熔化温度，σ²为工件表面各点温度梯度的方差，α为目标调节参数，由现场实际工作状态决定；

在3D打印机确定打印速度、打印路径以及当前工件表面温度后对功率进行寻优，得到最优化功率值。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种3D激光打印的激光功率优化方法，实现了利用激光加工过程中的当前表面温度、激光移动速度与加工工件表面形状对激光功率进行优化，使得加工表面温度梯度最小的激光功率优化方法，可以使得工件表面熔融状态下的金属冷凝时间保持一致，提高加工的精度与成品率。

附图说明

图1(a)为激光不同扫描方向对工件表面温度梯度的影响，三角形代表表面形状，箭头代表激光点扫描方向。

图1(b)为工件表面温度梯度图

图2为本发明功率优化方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

在其他条件完全相同时，表面温度高，激光扫过后的表面温度高。在其他条件完全相同时，激光移动速度快，温度上升速度低。在其他条件完全相同时，加工表面不规则，则激光会长时间在该区域进行扫描，温度高，因此利用激光加工过程中的当前表面温度、激光移动速度与加工工件表面形状对激光功率进行优化。

根据上述原理，首先根据实际材料定义功率阈值，功率阈值需要使激光温度高于金属粉末熔化的最低温度，且不能过高，以此作为功率优化的一个约束条件，材料熔化的最低温度已知，功率与激光温度对应的函数关系已知，即：

p₁＞p＞p₀

其中，p代表设定的激光功率，p₀为允许最小功率，p₁为允许的最大功率。

现有的激光打印过程是预定义扫描路径，并将路径打断为小段直线，附带该段扫描路径的激光功率信息、扫描速度信息，根据上述原理，可以定义激光点的温度满足函数关系:

T＝f(p)

其中T代表激光点的温度，p代表设定的激光功率；

加工表面的实际温度除了与激光点的温度有关，还与当前待扫描点工件表面温度有关，因此加工点表面温度满足函数关系：

T₁＝g(p,v,t)

其中T₁代表实际加工点表面温度，p代表设定的激光功率，v代表激光扫描速度，t为当前未扫描时工件表面温度；

在加工过程中，若激光温度过高则冷凝时间加长，会导致熔融状态的金属液体冷凝缓慢，影响精度，因此同样存在目标函数：

min T₁-T₀

即，实际加工点表面温度接近金属熔化临界温度。而由于约束条件p＞p₀，因此必有T₁＞T₀；

加工工件表面形状将直接反映在加工的路径信息中，若形状规则，加工路径长，形状不规则，加工路径短，根据实验数据可以得到工件表面温度梯度与加工路径长度的关系，如图1(a)～图1(b)所示；

图1(a)～图1(b)以加工三角形工件为例，颜色深代表散热速度慢。加工分横向加工与纵向激光打印，在完成一条加工路径后进行偏移继续激光打印，当激光路径为纵向激光打印时，如图1(a)所示，开始激光打印路径长散热速度快，随着激光打印路径向右偏移，加工路径逐渐变短，散热速度变慢，颜色逐渐变深。当激光打印路径为横向加工时，如图1(b)所示，随着激光打印路径向下偏移，激光打印路径逐渐变短，散热速度变慢，颜色逐渐变深。

因此可以定义激光点的冷凝温度梯度满足函数关系:

D＝h(p,v,s,t)

其中D为激光点的温度梯度，p代表设定的激光功率，v代表激光扫描速度，s为扫描路径的长度,t为当前未扫描时工件表面温度。D与p、v、s、t之间的关系可以定义温度梯度约束公式：

D＝a₁p+a₂p²+b₁v+b₂v²+c₁s+c₂s²+d₁t+d₂t²

其中a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂、d₁、d₂为待定参数，根据现有实验数据，利用非线性拟合进行确定，以此作为一个约束条件；

优化的目标是使加工表面各点的温度梯度D波动最小，可以以各点温度梯度的方差作为目标函数：

minσ²

其中

加工过程中v、s、t由设定、工件形状、上层温度决定，以此对激光功率进行优化，这是一个多目标规划模型，可以对双目标进行线性叠加，将多目标模型转换为单目标模型，因此最终定义的激光功率最优化方法模型为：

minσ²+α(T₁-T₀)

其中α为目标调节参数，由现场实际工作状态决定。

在3D打印机确定打印速度、打印路径以及当前工件表面温度后进行功率寻优，得到最优化功率值。

实施例1：

以金属工件的激光3D打印过程为例，一种3D激光打印的激光功率优化方法，具体包括以下步骤：

根据图2，首先根据已有现场历史数据与实验环境，根据定义的温度梯度约束公式：

D＝a₁p+a₂p²+b₁v+b₂v²+c₁s+c₂s²+d₁t+d₂t²

确定实际现场中温度梯度D与功率p、加工路径s、上层温度t之间满足的函数关系；

根据温度梯度约束公式，建立激光功率最优化方法模型：

minσ²+α(T₁-T₀)

p代表设定的激光功率，p₀为允许最小功率，p₁为允许的最大功率，T₁代表实际加工点表面温度，T₀表示3D增材材料的熔化温度，σ²为工件表面各点温度梯度的方差，α为目标调节参数，由现场实际工作状态决定；

利用红外测温仪实时检测金属加工表面的温度矩阵，为后续的求解提供当前金属工件表面温度数据，

之后，根据加工表面形状确定加工路径与加工速度，将红外测温仪检测实时的检测结果带入温度梯度约束公式，根据激光功率最优化方法模型，确定最优的激光功率；

最后利用加工路径、加工速度、激光功率进行工件打印，完成3D激光打印的激光功率优化方法。

Claims (1)

1.一种3D激光打印的激光功率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，定义D与p、v、s、t之间关系的温度梯度约束公式：

D＝a₁p+a₂p²+b₁v+b₂v²+c₁s+c₂s²+d₁t+d₂t²

其中D为激光点的温度梯度，p代表设定的激光功率，v代表激光扫描速度，s为扫描路径的长度,t为当前未扫描时工件表面温度，

其中a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂、d₁、d₂为待定参数，根据历史数据，进行非线性拟合确定参数；

步骤2，根据当前工件表面温度、激光移动速度、当前工件表面温度与扫描路径与激光功率的关系，定义的激光功率最优化方法模型：

minσ²+α(T₁-T₀)

式中，p代表设定的激光功率，p₀为允许最小功率，p₁为允许的最大功率，T₁代表实际加工点表面温度，T₀表示3D增材材料的熔化温度，σ²为工件表面各点温度梯度的方差，其中

α为目标调节参数，由现场实际工作状态决定；

在3D打印机确定打印速度、打印路径以及当前工件表面温度后对功率进行寻优，得到最优化功率值。

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